CN117936596A - 有源像素传感器和用于制造有源像素传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及有源像素传感器和用于制造有源像素传感器的方法。一种有源像素传感器包括至少一个像素，该至少一个像素包括：光活性区域和至少一个多晶硅组件，该至少一个多晶硅组件布置在光活性区域之上，使得光子可以在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展入射光子在光活性区域内的光路。

Description

有源像素传感器和用于制造有源像素传感器的方法
技术领域
本公开总体上涉及有源像素传感器以及制造有源像素传感器的方法。
背景技术
图像传感器的质量可以通过一些关键属性来判断，例如图像传感器对入射光的响应性。特别地，在基于CMOS的有源像素传感器(APS)中，特别是在用Si制造的CMOS APS中，红外(IR)光和近IR光可以表现出相对较长的穿透深度。IR和近IR光的这种特性可以使得有必要为APS提供相对较厚的光活性区域，以便传感器足够灵敏。然而，特别厚的光活性区域可能具有若干技术缺点。因此，提供包括具有减小的厚度的光活性区域的APS和/或增加包括具有给定厚度的光活性区的APS的灵敏度是不可取的。改进的有源像素传感器以及用于制造有源像素传感器的改进方法可以帮助解决这些和其他问题。
独立权利要求的特征解决了本发明所基于的问题。在从属权利要求中描述了另外的有利示例。
发明内容
各个方面涉及一种有源像素传感器，该有源像素传感器包括：至少一个像素，该至少一个像素包括：光活性区域和至少一个多晶硅组件，该至少一个多晶硅组件布置在光活性区域之上，使得光子可以在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展入射光子在光活性区域内的光路。
各个方面涉及一种用于制造有源像素传感器的方法，该方法包括通过以下来制造有源像素感测器的至少一个像素：制造光活性区域，以及在光活性区域之上制造至少一个多晶硅组件，使得光子可以在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展入射光子在光活性区域内的光路。
附图说明
附图示出了示例，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。鉴于以下详细描述，将容易理解本公开的其他示例和很多预期优点。附图中的要素不一定是相对于彼此按比例绘制的。相同的附图标记表示对应相似部件。
图1示出了有源像素传感器的示例性像素的截面图，其中像素的多晶硅组件包括被配置为衍射入射光子的衍射结构；
图2A-图2E示出了用于有源像素传感器的像素的示例性多晶硅组件的俯视图，其中图2A所示的多晶硅组件不包括衍射结构，并且图2B-图2E所示的多晶硅组件包括不同的示例性衍射结构；
图3示出了有源像素传感器的另一示例性像素的截面图，其中像素的多晶硅组件包括被配置为衍射入射光子的衍射结构，例如图2B-图2E所示的多晶硅组件中的一个；
图4示意性地示出了光子在衍射结构处被衍射并且随后在像素的光活性区域中被吸收；
图5示出了可以被配置为测量到物体的距离和/或测量物体的速度的示例性有源像素传感器；以及
图6是用于制造有源像素传感器的示例性方法的流程图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考所描述的(一个或多个)附图的取向，使用了方向术语，诸如“顶部”、“底部”、“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等。由于本公开的组件可以被定位在多个不同的取向上，因此方向术语仅用于图示目的。应当理解，可以利用其他示例，并且可以进行结构或逻辑改变。
此外，虽然可以关于若干实现方式中的仅一种来公开示例的特定特征或方面，但这样的特征或方面可以与其他实现方式的一个或多个其他特征或方面相结合，这对于任何给定或特定应用来说都是期望的和有利的，除非另有特别说明或技术限制。
可以使用术语“耦合”和“连接”及其派生词。应当理解，这些术语可以用来指示两个要素彼此合作或相互作用，而不管它们是直接物理接触还是电接触，或者它们不彼此直接接触；可以在“接合”、“耦合”或“连接”的元件之间提供中间元件或层。然而，“接合”、“耦合”或“连接”的元件也可以彼此直接接触。此外，术语“示例性”只是一个示例，而不是最好的或最佳的。
在若干示例中，层或层堆叠体被施加到彼此，或者材料被施加或沉积到层上。应当理解，诸如“施加”或“沉积”等任何术语表示从字面上涵盖将层施加到彼此上的所有类型和技术。特别地，它们旨在涵盖将层作为一个整体同时施加的技术、以及以顺序方式沉积层的技术。
一种高效的有源像素传感器和一种用于制造有源像素传感器的高效方法可以例如减少材料消耗、欧姆损耗、化学废物等，从而实现能源和/或资源节约。因此，如本说明书中所述，改进的有源像素传感器和制造有源像素传感器的改进方法可以至少间接地有助于绿色技术解决方案，即提供减少能源和/或资源使用的气候友好型解决方案。
图1示出了像素100，例如，像素100可以是有源像素传感器(APS)的一部分。有源像素传感器可以包括单个像素100或多个像素100，这些像素可以例如布置成阵列。有源像素传感器例如可以是CMOS传感器。有源像素传感器可以例如是飞行时间(ToF)传感器(的一部分)。
像素100包括光活性区域110和至少一个多晶硅组件120。光活性区域110可以例如被制造在像素100的一个或多个外延层中或任何其他合适的部分(或(一个或多个)层)中。多晶硅组件120被布置在光活性区域110之上，使得光子130可以在进入光活性区110之前通过多晶硅组件120。
多晶硅组件120包括衍射结构140，衍射结构140被配置为衍射入射光子130并且从而增加其在光活性区域110内的光路150的长度。
在光活性区域110中，具有适当能量的光子130可以通过内部光电效应而被转换为电子和空穴。光活性区域110可以包括适合于该用途的任何材料或者由其组成。光活性区域110可以例如包括n型Si或者由其组成。像素100可以例如被配置为对红外(IR)和近IR光谱敏感，例如对波长约940nm的入射光敏感。
多晶硅组件120可以包括第一侧(side)121和相对的第二侧122。第一侧121可以背对光活性区域110。多晶硅组件120可以包括未掺杂的多晶硅或者由其组成。
根据一个示例，像素100包括覆盖多晶硅组件120的第一侧121的介电材料层(图1中未示出)，使得入射光子130在到达多晶硅组件120和光活性区域110之前穿过介电材料。介电材料层可以例如被配置为保护多晶硅组件120和/或光活性区域110不受环境影响。介电材料层可以例如包括氧化物(例如，氧化硅)或者由其组成。介电材料层可以包括单个层，或者可以包括个体层的堆叠体。
根据一个示例，多晶硅组件120是像素100的调制门(modulation gate)(的一部分)。因此，多晶硅组件120可以电连接到像素100和/或有源像素传感器的金属布线。例如，像素100可以包括并排布置在光活性区域110之上的两个多晶硅组件120。两个多晶硅组件120可以被配置为解调门(demodulation gate)，用于在有源像素传感器中启用间接ToF测量模式。
多晶硅组件120内包括的衍射结构140可以被配置为衍射入射光，特别是像素100被配置为检测的波长的光。衍射结构140可以例如被配置为将入射光衍射10°或更大，或者20°或更大，或者30°或更大。
根据一个示例，衍射结构140包括衍射光栅或者由其组成。换言之，衍射结构140可以包括从第一侧121完全穿过多晶硅组件120延伸到第二侧122的多个狭缝或孔。
衍射结构140可以具有等于或小于像素100被配置为检测的光的波长λ的结构尺寸。换言之，衍射结构140的狭缝或孔可以具有等于或小于λ的宽度，和/或相邻的狭缝或孔具有等于或小于λ的间距。
图2A-图2E示出了根据不同示例的成对的多晶硅组件的第一侧121的俯视图。出于参考目的，图2A示出了不包括衍射结构的一对多晶硅组件200，并且图2B-图2E示出了具有不同示例性衍射结构140的成对的多晶硅组件120。例如，像素100可以包括一对多晶硅组件120，如图2B-图2E所示。
如图2A-图2E所示，相应的成对的多晶硅组件120可以并排布置在如像素100等像素中，使得第一侧121面对相同的方向。图2A-图2E所示的每对的两个多晶硅组件120可以通过间隙220彼此分隔开。间隙220可以例如用介电材料填充。多晶硅组件120、200可以经由金属接触部210电耦合到像素100和/或有源像素传感器的金属布线。金属接触部210可以例如被布置为靠近多晶硅组件120、200的边缘，而衍射结构140可以例如被更多地布置在多晶硅组件120的中央。金属接触部210可以例如包括Al或Cu或其合金或者由其组成。
由于图2A所示的多晶硅组件200不包括任何衍射结构140，因此入射光子在穿过多晶硅组件200时不会被衍射或几乎不会被衍射。因此，入射光子可以表现出进入多晶硅组件200下方的光活性区域110的相对较大的穿透深度(穿透深度是垂直于多晶硅组件200的第一侧121而测量的)。
另一方面，由于图2B-图2E所示的多晶硅组件120的衍射结构140，入射光子在穿过多晶硅组件120时被衍射。衍射的光子可以表现出比未衍射的光子小的穿透深度。这继而可以提高像素100和/或有源像素传感器的响应性。
图2B示出了一对多晶硅组件120，其中衍射结构140包括多个狭缝。狭缝可以彼此平行地布置。狭缝可以例如布置成规则的行，例如布置成垂直于间隙220的行。然而，行也可以相对于间隙220以任何其他角度布置，例如30°、45°或60°。衍射结构140的所有狭缝基本上可以具有相同的形状，例如矩形形状。矩形的短边以及相邻狭缝之间的间距可以等于或小于波长λ。矩形的较长边可以具有任何合适的长度，例如10μm或更小、5μm或更小、2μm或更小、1μm或更小的长度。
图2C示出了一对多晶硅组件120，其中衍射结构140再次包括彼此平行布置的狭缝。然而，在图2C所示的示例中，狭缝也平行于两个多晶硅组件120之间的间隙220布置。狭缝的长度可以几乎等于间隙220的长度。图2C所示的示例的狭缝可以具有与图2B所示的狭缝相同的形状、尺寸和间距。
在图2D所示的示例中，多晶硅组件120的衍射结构140包括多个孔。例如，孔可以具有二次形状(如图2D所示)。然而，孔也可以具有矩形、圆形、椭圆形、不规则形状等。孔例如可以布置成棋盘图案。然而，孔也可以以任何不同的合适图案布置。孔的尺寸(边长度或直径)和间距可以等于或小于λ。
在图2E所示的示例中，多晶硅组件120的衍射结构140包括同心半环形式的多个狭缝。图2E所示的示例的狭缝可以具有与图2B所示的示例所述相同的尺寸和间距。
衍射结构140可以占多晶硅组件120的第一侧121的表面的大部分。例如，衍射结构140可以占第一侧121的表面积的50％或更大，或者70％或更大，或者90％或更大，或者基本上全部。
图3示出了另一像素300，像素300可以与像素100相似或相同。像素300同样可以是APS的一部分，其中APS包括单个像素300或多个像素300(例如，其阵列)。
像素300包括光活性区域110和例如布置在光活性区域110之上的两个多晶硅组件120。光活性区域110可以例如包括n型硅或者由其组成。多晶硅组件120例如可以是像素300的调制门。
根据一个示例，多晶硅组件120可以通过分隔层310与光活性区域110分隔开(并且例如还与其电绝缘)。分隔层310可以例如包括介电材料(例如，氧化硅)或者由其组成。
像素300还可以包括可以横向布置在光电有源区110旁边的一个或多个沟槽320。一个或多个沟槽320可以至少部分布置在横向材料层330中。横向材料层330可以例如包括p型硅或者由其组成。横向材料层330可以横向地布置在光活性区域110的至少一部分周围。
像素300还可以包括布置在光活性区域110下方的多个孔(或附加沟槽)340。根据一个示例，光活性区域110的整个覆盖区(footprint)或光活性区域110的基本上整个覆盖区可以被孔(或附加沟槽)340覆盖。
沟槽320和/或孔(或附加沟槽)340可以被配置为用作入射光子的反射结构。以这种方式，可以防止入射光子离开像素，而是可以朝向光活性区域110反射回来。
像素300还可以包括多个光电二极管350，例如两个光电二极管350。光电二极管350例如可以是被钉扎的(pinned)光电二极管。
像素300还可以包括布置在多晶硅组件120之上的介电材料层360。介电材料层360可以例如是单个层或个体层的堆叠体。介电材料层360可以是后道工序(back end ofline，BEOL)层堆叠体。介电材料层360可以包括氧化物材料(例如，氧化硅)或者由其组成。
像素300还可以包括微透镜370。微透镜370可以例如布置在介电材料层360之上。微透镜370可以被配置为将光聚焦到光活性区域110。
像素300还可以包括抗反射涂层380。抗反射涂层380可以例如被布置在微透镜370上。
此外，像素300可以包括衬底390。衬底390可以例如包括体硅或者由其组成。
根据一个示例，像素300还可以包括滤色器(color filter)，该滤色器被配置为对于特定波长的光是透明的。
在上述示例中，硅被用作像素300的半导体材料。然而，也可以使用任何其他合适的半导体材料来提供像素300。
像素300的宽度w可以例如在2μm到15μm的范围内，例如3μm到10μm，或者大约5μm，或大约7μm。在图3中的光活性区域110的上表面与孔(或沟槽)340之间测量的像素300中的深度可以例如为约12μm、约10μm或约8μm。
图4示出了由于多晶硅组件120的衍射结构140导致的像素300内的入射光子130的示例性光路。
入射光子130可以穿过抗反射涂层380、微透镜370和介电材料层360。在401处，光子130被多晶硅组件120的衍射结构140衍射。在402，光子130已经穿过光活性区域而没有被吸收，并且被沟槽320反射。在403处，由于内部光电效应，光子在光活性区域110内被转换成电子-空穴对。
如图4所示，由于衍射结构140处的衍射，光子130在光活性区域110内行进的路径的长度可以增加。如果没有衍射结构140，图4所示的光子130可以已经穿过光活性区域110而没有被吸收。因此，衍射结构140可以增强像素300的灵敏度，并且因此增强有源像素传感器的灵敏度。
图5示出了可以包括一个或多个像素100或300的示例性有源像素传感器500。例如，有源像素传感器500可以是被配置为测量到物体510的距离d和/或物体510的速度的飞行时间(ToF)传感器。根据一个示例，有源像素传感器500和用于发射光子130的发射器是相同单元的一部分。根据另一示例，传感器500和发射器是分开的单元的部分。
根据一个示例，有源像素传感器500(以及因此像素100或300)被配置用于正面照明。根据另一示例，有源像素传感器500(以及因此像素100或300)被配置用于背面照明。换言之，上述衍射结构140既可以用于正面照明方案，也可以用于背面照明方案。
图6是用于制造有源像素传感器(如有源像素传感器500)的方法600的流程图。方法600包括制造有源像素传感器的至少一个像素。
在601，方法600包括以下动作：制造光活性区域。这可以例如包括在一个或多个层中制造光活性区域，例如一个或多个外延层。在602，方法600包括以下动作：在光活性区域之上制造至少一个多晶硅组件，使得光子可以在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展其在光活性区域内的光路。
根据一个示例，方法600包括以下可选动作：将多晶硅组件电耦合到有源像素传感器的金属布线，例如，使得多晶硅组件被配置为调制门。制造光活性区域、多晶硅组件可以分别使用任何合适的前道工序(FEOL)和/或后道工序制造技术来进行。根据一个示例，方法600包括在批处理(batch process)中制造多个像素、特别是像素阵列。方法600尤其可以在晶圆级执行。
方法600还可以包括以下动作：制造衍射结构，这可以包括使用任何合适的结构化技术，例如化学和/或物理结构化技术。扩散结构可以例如通过用于制造多晶硅组件的外形的相同结构化工艺来制造。扩散结构可以例如在与多晶硅组件相同的工艺中制造，或者扩散结构可以在后续工艺中制造。
示例
在下文中，使用特定示例进一步阐述有源像素传感器和用于制造有源像素传感器的方法。
示例1是一种有源像素传感器，该有源像素传感器包括：至少一个像素，该至少一个像素包括：光活性区域以及至少一个多晶硅组件，该至少一个多晶硅组件布置在光活性区域之上，使得光子能够在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展入射光子在光活性区域内的光路。
示例2是根据示例1所述的有源像素传感器，其中多晶硅组件是像素的调制门的一部分。
示例3是根据示例1或2所述的有源像素传感器，其中衍射结构包括延伸穿过多晶硅组件的多个狭缝或孔。
示例4是根据示例3所述的有源像素传感器，其中狭缝或孔具有1μm或更小的宽度。
示例5是根据示例3或4所述的有源像素传感器，其中狭缝或孔以行或列或棋盘图案布置，或者其中狭缝具有半圆形状。
示例6是根据前述示例中任一项所述的有源像素传感器，其中多晶硅组件电耦合到有源像素传感器的金属布线。
示例7是根据前述示例中任一项所述的有源像素传感器，还包括：布置在多晶硅组件之上的介电材料层，使得入射光子在通过多晶硅组件之前穿过介电材料层。
示例8是根据示例7所述的有源像素传感器，还包括：布置在介电材料层之上的微透镜。
示例9是根据示例7或8所述的有源像素传感器，其中多晶硅组件包括背对光活性区域的第一侧，并且其中介电材料层直接覆盖第一侧。
示例10是根据前述示例中一项所述的有源像素传感器，还包括：横向布置在光活性区域旁边的反射部分，其中反射部分被配置为将光子反射回光活性区域。
示例11是根据示例10所述的有源像素传感器，其中反射部分包括在有源像素传感器的一个或多个层内的沟槽。
示例12是根据前述示例中一项所述的有源像素传感器，其中有源像素传感器被配置用于正面照明，或者其中有源像素传感器被配置用于背面照明。
示例13是一种用于制造有源像素传感器的方法，方法包括通过以下来制造有源像素传感器的至少一个像素：制造光活性区域，以及在光活性区域之上制造至少一个多晶硅组件，使得光子能够在进入光活性区域之前通过多晶硅组件，其中多晶硅组件包括衍射结构，该衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展入射光子在光活性区域内的光路。
示例14是根据示例13所述的方法，还包括：将多晶硅组件电耦合到有源像素传感器的金属布线。
示例15是根据示例13或14所述的方法，其中多晶硅组件是像素的调制门的一部分。
示例16是一种装置，该装置包括用于执行根据示例13至15中任一项的方法的部件。
虽然已经针对一个或多个实现对本公开进行了说明和描述，但在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以对所说明的示例进行替换和/或修改。特别是关于由上述组件或结构(组件、设备、电路、***等)执行的各种功能，除非另有说明，否则用于描述这样的组件的术语(包括对“部件(means)”的引用)旨在对应于执行这样的组件的指定功能的任何组件或结构(例如，在功能上等效的)，即使在结构上不等效于在本文所示的本公开的示例性实现方式中执行该功能的所公开的结构。

Claims (15)

1.一种有源像素传感器(500)，包括：
至少一个像素(100、300)，包括：
光活性区域(110)，以及
至少一个多晶硅组件(120)，布置在所述光活性区域(110)之上，使得光子能够在进入所述光活性区域(110)之前通过所述多晶硅组件(120)，
其中所述多晶硅组件(120)包括衍射结构(140)，所述衍射结构(140)被配置为衍射入射光子并且由此扩展所述入射光子在所述光活性区域(110)内的光路。
2.根据权利要求1所述的有源像素传感器(500)，其中所述多晶硅组件(120)是所述像素(100、300)的调制门的一部分。
3.根据权利要求1或2所述的有源像素传感器(500)，其中所述衍射结构(140)包括延伸穿过所述多晶硅组件(120)的多个狭缝或孔。
4.根据权利要求3所述的有源像素传感器(500)，其中所述狭缝或孔具有1μm或更小的宽度。
5.根据权利要求3或4所述的有源像素传感器(500)，其中所述狭缝或孔以行或列或棋盘图案布置，或者其中所述狭缝具有半圆形状。
6.根据前述权利要求中一项所述的有源像素传感器(500)，其中所述多晶硅组件(120)电耦合到所述有源像素传感器(500)的金属布线。
7.根据前述权利要求中一项所述的有源像素传感器(500)，还包括：
介电材料层(360)，布置在所述多晶硅组件(120)之上，使得入射光子在通过所述多晶硅组件(120)之前穿过所述介电材料层(360)。
8.根据权利要求7所述的有源像素传感器(500)，还包括：
微透镜(370)，布置在所述介电材料层(360)之上。
9.根据权利要求7或8所述的有源像素传感器(500)，其中所述多晶硅组件(120)包括背对所述光活性区域(110)的第一侧(121)，并且其中所述介电材料层(360)直接覆盖所述第一侧(121)。
10.根据前述权利要求中一项所述的有源像素传感器(500)，还包括：
反射部分(320)，横向布置在所述光活性区域(110)旁边，其中所述反射部分(320)被配置为将光子反射回所述光活性区域(110)。
11.根据权利要求10所述的有源像素传感器(500)，其中所述反射部分(320)包括在所述有源像素传感器(500)的一个或多个层内的沟槽。
12.根据前述权利要求中一项所述的有源像素传感器(500)，其中所述有源像素传感器被配置用于正面照明，或者其中所述有源像素传感器被配置用于背面照明。
13.一种用于制造有源像素传感器的方法(600)，所述方法包括通过以下来制造所述有源像素传感器的至少一个像素：
制造(601)光活性区域，以及
在所述光活性区域之上制造(602)至少一个多晶硅组件，使得光子能够在进入所述光活性区域之前通过所述多晶硅组件，
其中所述多晶硅组件包括衍射结构，所述衍射结构被配置为衍射入射光子并且由此扩展所述入射光子在所述光活性区域内的光路。
14.根据权利要求13所述的方法(600)，还包括：
将所述多晶硅组件电耦合到所述有源像素传感器的金属布线。
15.根据权利要求13或14所述的方法(600)，其中所述多晶硅组件是所述像素的调制门的一部分。
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